RISC-V架构的开源处理器分析

摘要：RISC-V架构本身面积小、性能较高，最为关键的是这一架构本身功耗较低且作为全新的开源精简指令集，无论是技术还是产品都得到了迅速的发展，效果突出。基于此，本文深入研究RISC-V架构开源处理器内部情况，明确不同模块的功能以及运行方式，并且围绕着实际案例展开分析，明确处理器的应用效果。

关键词：RISC-V架构；开源处理器；嵌入式应用处理器；超标量乱序执行处理器

引言：在RISC-V架构的开源处理器中包含了诸多功能，具体表现为介质访问控制子层、物理编码子层和串行器/解串器以及用于该功能模块的发送缓冲区和接收缓冲区等方面内容。RISC-V架构的开源处理器在数据中心领域有着广泛的应用，主要面向微控制和物联网这两个领域，但还需要对功能进行进一步完善。

1.RISC-V架构的开源处理器的理论分析

从RISC-V架构的开源处理器的日常运行情况来看，开源处理器不仅需要具备基本的指令接收、预测、传递，还需要具备较低的功耗，以此更好地完成指令调用。主要指令调用包括整数运算指令、分支转移指令，实现条件转移、加载存储指令、控制与状态寄存器访问指令、系统调用指令。这几个指令内容，为了确保不同的指令调用顺利实现，采用了高效性、完善性的通用标量处理器指令集，实现快速通用标量处理器指令集。在通用标量处理器指令集的基础上，和商业指令集进行对比后发现，前者性能更优、占用面积更小、整体能耗较低。通用标量处理器指令集开源处理器中则采用了64位寄存器宽度进行处理，在实际指令获取过程中，可以有效消除误差，切实提高处理器的指令处理效率，让指令处理顺利进行。除了常见的处理器指令集问题之外，还需要对指令集架构等方面内容进行改善，明确具体的指令处理情况，确保RISC-V架构的开源处理器本身的应用效果，切实强化运行的稳定性。RISC-V架构的通用标量处理器指令集系统中选择模块化的方式完成相应的通用标量处理器指令集架构，包括加载－存储形式的RISC架构，在这之中应用了64位和32位的多线程处理器，在一些乱序执行处理器等方面效果突出。但从目前来看，可以实现同步通用标量处理器指令集，通用标量处理器指令集效率较高。最为关键的是，RISC-V架构的开源处理器在实际应用过程中可以根据超低功耗处理器项目，最大程度保证指令处理效率。另外，在实际的通用标量处理器指令集应用过程中，还需要从指令传输情况入手展开分析，从而更好判断处理器状态，确保相应的处理技术得到落实。能够从主界面上查询RISC-V架构的开源处理器的应用情况，让处理器正常稳定地运行。开源SoC是开源处理器功能的基础，也是最常见的功能效果，开源SoC的设计和优化，可以让基于RISC-V架构的开源处理器的实际运行情况进行判断，及时发现处理器中存在的问题，从根本上解决处理器工作中遇到的问题。融入了开源SoC后的开源通用标量处理器指令集架构体系，处理能耗、处理效率水平会得到进一步优化。需要注意的是，选择相应的处理器时，需要综合考虑到RISC-V架构的开源处理器本身的条件，保证实用性的同时，尽可能选择先进的模块和科学的配置，为RISC-V架构的通用标量处理器指令集系统提供基础支撑。近几年来，数字化指令功能基本实现，计算机处理技术水平不断提高，其中RISC-V架构的通用标量处理器指令集架构的优化后的完善格外重要，从RISC-V架构的开源处理器通用标量处理器指令集调节功能角度来看，还需要让其逐渐朝着多功能的方向发展。想要保证RISC-V架构的开源处理器的智能化、功能性水平稳步提高，未来还需要不断提高RISC-V架构的开源处理器处理能力，尤其是在一些复杂的调令处理工作中，通用标量处理器指令集核心架构中需要同时监控调节多种信号，想要达成这一目的，就要引入智能化调节器，让其适应不同的工作环境，提高RISC-V架构的开源处理器的性能，让RISC-V架构的通用标量处理器指令集架构得到全面的完善[1]。

2.RISC-V架构的开源处理器的应用分析

RISC-V架构拥有良好的发展前景，并且即将进入快速发展阶段，未来还会实现技术上的进一步突破和升级，让整个系统更加可靠稳定，并且能够实现多核计算。而且随着技术手段的不断升级，RISC-V架构的开源处理器会得到大规模的应用，处理器的性能会不断提高，加强对其中技术的深入分析，可以让技术手段得到进一步落实。

2.1基础内核分析

RISC-V架构的开源处理器设计过程中，需要实现顶层设计、单元微架构设计、总线接口单元微架构等多方面入手进行分析。在其中还需要利用到综合性较强的开发工具、从目前来看，在RISC-V架构下可用的处理器包括以Rocket为代表的标量处理器、以BOOM为代表的超标量乱序执行处理器、以ORCA为代表的嵌入式应用处理器、以SHAKTI为代表的处理器家族等多方面内容，另外，还有一些开源处理器应用相对较少。主要分为：RI5CY、RIDECORE、Hwacha、TomThumb､FlexPRET､Z-scale/V-scaleodor､f32c､PicoRV32等方面。上述处理器在实际应用过程中效果各不相同，需要综合考虑到多方面因素，确保处理器得到更好应用和落实。在RISC-V架构的开源处理器全面落实的过程中，需要对这些标量处理器、超标量处理器，单核处理器、多核处理器进行深层次分析。不仅如此，还需要进一步明确RISC-V架构的基本设计，并详细描述目前采用RISC-V架构的开源处理器与SoC的实际情况，从处理器方面入手，深入分析RISC-V架构的开源处理器系统的应用效果和具体的设计内容，通过这种方式进一步提高指令处理准确性，让RISC-V架构的开源处理器的应用效果更加突出，尤其是实时指令处理效果。RISC-V架构的开源处理器设计已经深入到社会生活诸多方面，在多个领域中发挥着不可替代的作用，但从目前来看，RISC-V架构的开源处理器还可以得到进一步升级[2]。

2.2常见开源处理器应用分析

标量处理器Rocket可移植、兼容性较强，具备分支预测能力，在实际应用中优势突出，引入了诸多不同的概念，因此硬件开发能力较强。在对应C++模拟器辅助下，这一处理器可以更好地开展共存，并且得到对应的软件模拟器。而超标量乱序执行处理器BOOM在实际应用中，虽然没有采用相同的编写方式，但从流水线的角度来讲，多了一级，效果更加稳定突出，最为关键的是，这一处理器面积小、功耗低，从性能的对比分析上看，超标量乱序执行处理器BOOM性能更优，主频性能更强，可以达到1.5GHz，功耗只有0.25W的(1core+L1)@TSMC45nm,1GHz[3]。处理器家族和嵌入式应用处理器在实际应用中效果突出，前者安全性更好，网络数据处理效率更快，后者资源占用情况更少，在不同配置情况下主频也会出现变化，但无论何种均控制在13.8MHz范围内。以处理器家族为例，在实际应用过程中，基于RISC-V架构完成了开源处理器，为后续的SoC搭建奠定了良好的基础，处理器家族中一共包括八个方面，分别为：E-Class､C-Class､I-Class､M-Class､S-Class､H-Class､T-Class､N-Class。其中前三个已经完成开源，分别为E-Class､C-Class､I-Class，除了E-Class之外，均实现了64位标量处理器，其中最大、最高可以达到八级流水线，三个处理器能耗均相对较低。值得一提的是，H-Class､T-Class实现了128位处理器，能实现多线程处理，处理过程安全高效。

2.3其他开源处理器应用分析

除了上述几个方面的处理器之外，RI5CY、RIDECORE、Hwacha、TomThumb､FlexPRET､Z-scale/V-scaleodor､f32c､PicoRV32等开源处理器在当前也得到了广泛的应用，在实际应用过程中效果突出，具有不同的优势。其中RI5CY效果突出，作为一款小巧的4级流水线开源处理器，不仅能耗较低，而在RISC-V架构的开源处理器基础上，增加了诸多扩展，包括硬件循环、乘法累加、高级算数指令等方面。RIDECORE和超标量乱序执行处理器BOOM类似，同样是具备6级流水线，实现了分支预测机制[4]。需要注意的是，这一处理器具备双线处理能力，可以同时获取两条指令，并且同时完成译码、提交、分配等功能。Hwacha是一款向量处理器，相比较前面两种处理器，这是RISC-V架构的开源处理器中一种非标准的扩展，并没有得到大范围的推广应用。另外，f32c也是如此，在处理这种开发的过程中，FlexPRET､YARVI､TomThumb等方面都是对性能、功能进行创新后得到的一种内容。还需要结合实际情况展开综合性的分析和设计，以此确保整体的效果。RISC-V架构的开源处理器在现阶段得到了广泛应用，SoC的设计也格外关键，从目前来看，常见的SoC可以分为三个方面。这些设计工作的落实对开源处理器的正常运作帮助较大，以PULPino为例，在实际应用的过程中，可以对异构多处理器结构进行设计，完成多核处理、效果突出｡RISC-VVHDL在实际开展过程中，也能够让RISC-V架构的开源处理器更好地完成数据处理工作，系统稳定性增强，多核计算处理工作上的效果突出，整体系统稳定可靠。

2.4实际开源处理器应用分析

为了更好地验证上述信息，本文以某开源处理器为例，全面分析具体的设计方式和设计内容。但从目前来看，还需要综合考虑到具体的设计内容。从顶层设计内容来看，在RISC-V架构下借助其中的指令集完成了顶层设计，为了把握处理器本身的运作情况，选择了最为典型的Top-Down设计方法，可以将处理器科学地划分成多个不同的模块，确保划分效果。图1为具体的设计结构图，分别为：时钟门控(CLK_CTRL)、中断控制(IRQ_CTRL)、复位控制(RESET_CTRL)、ITCM访问控制(ITCM_CTRL)、DTCM访问控制(DTCM_CTRL)、取指单元(IFU)、执行单元(EXU)、访存单元(LSU)、总线接口(BIU)。单元微架构的取值和执行是非常关键的一步，在取值的过程中需要保证高速度以此确保后续的执行效率。从这一开源处理器应用效果来看，Mini-Decode模块投入使用后，可以实现简单译码并且在Simple-BPU的辅助下完成分支预测，从而准确访问PC地址，找到对应的ITCM或者BIU。在取值过程中，PC生成模块会产生全新的取值地址，但在Simple-BPU和Mini-Decode的辅助下，能够实现预测和判断，通过ICB总线控制模块来完成访问。取值工作完成后，单元微架构需要对这一内容进行执行，这一阶段可以分为以下几个流程环节，包括译码、执行、交付、写回等方面。IFU模块得到指令后，执行单元会同时完成指令译码和具体派遣，RD-Regfile模块按照译码得到的操作数完成对Regfile的读取，将指令进一步下发给不同的运算单元。运算单元中涵盖的内容有很多，根据不同的情况调动的运算模块各不相同，不同运算模块负责的内容各不相同。在执行过程中，如果出现了中断、异常等问题，交互模块会开始运作，来判断是否出现了流水线冲刷问题。在出现长指令的过程中，则需要利用长指令模块，但需要对长指令进行维护，确保数据的相关性，让OITF模块对长指令进行全面系统的维护，以此确保指令本身的效果。另外，还需要借助相应的模块完成指令运算结果写回。一共涉及了算术模块ALU、长指令模块Long-Pipes、访存模块LSU、WB-Regfile模块、以及扩展协处理器EAI等。总线接口单元微架构也是处理器中必不可少的存在，在实际应用过程中，负责接收访问请求并且判断访问地址区间，确保访问准确性。在这个架构中Ping-Pong Buffer模块的存在非常关键，是解决流水线反压时序的核心关键。地址判断也是这一架构中的主要任务，可以确保模块访问工作顺利进行，其中还包括私有外设、系统存储等方面。图2为SoC总线微架构。在架构设计完成后对开源处理器进行了验证，从实际的验证效果来看，程序正确可以正常完成工作。经过前文设计对RISC-V架构的开源处理器的不同模块功能、整体结构有了全面的了解。开源处理器在电子信息产业内效果突出，其基本构成较为复杂，想要确保处理器可以科学处理工作，确保工作顺利完成，还需要对具体的框架进行设计，并且在EPGA开发板上进行设计。

图1顶层设计结构图

图2SoC总线微架构

总结：综上所述，RISC-V架构的开源处理器本身的指令集较为清晰、简洁、灵活性较高，成为当下开源处理器技术的研究关键。近几年来，随着经济投入、物力投入，RISC-V架构技术不断提高，在物联网、人工智能技术的辅助下，开源处理器的功能也会更加完善，在理性处理性能的前提下，强化网络协议的灵活性，让其在数据处理等方面发挥出最优效果，同时能够处理不同种类的网络协议。

参考文献：

[1]种丹丹.基于RISC-V的开源芯片生态发展现状及未来机遇[J].中国集成电路,2021,30(08):25-30.

[2].中科院发布国产RISC-V处理器“香山”[J].信息系统工程，2021(07):2.

[3]李拓,邹晓峰,林宁亚,等.基于RISC-V的服务器管理控制器FPGA原型设计[J].计算机系统应用,2021,30(07):136-141.

[4]高营,鞠虎,刘德.开源处理器Rocket的异构SoC原型验证设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2021,21(07):12-15+18.